DE3310875A1 - BEAM DEFLECTION SYSTEM - Google Patents
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Description
-18455-18455
10.3.1983 Fd/Hm3/10/1983 Fd / Hm
ti-ti-
ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1
Strahlablenksystem
Stand der Technik Beam deflection system
State of the art
Die Erfindung geht aus von einem Strahlablenksystem nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der Zeitschrift Spectrum der Wissenschaft, März 1981 , Seite 117 ist es bereits bekannt, mittels dreier rotierender Spiegel, die auf Motoren aufgebracht sind, Kreise, Ellipsen oder Quadrate mit einem Laserstrahl auf die Leinwand zu zeichnen. Aufgrund der nicht präzisen Lagerung der Spiegel und des Freilaufes der Motoren ist diese Anordnung nicht für eine definitive und reproduzierbare'Strahlabtastung geeignet.The invention is based on a beam deflection system according to the preamble of the main claim. From the magazine Spectrum of Science, March 1981, p 117 it is already known, by means of three rotating mirrors, which are mounted on motors, circles, Draw ellipses or squares on the canvas with a laser beam. Because of the imprecise Storage of the mirrors and the freewheeling of the motors, this arrangement is not for a definitive and reproducible beam scanning suitable.
Andere bekannte Strahlablenksysteme arbeiten mit Schwenkspiegeln, die teilweise in zwei Achsen schwenkbar sind. Bei Schwenkspiegelsystemen sind aufwendige Mechaniken erforderlich, die die Schwingbewegung erzeugen. Weiterhin weisen diese Abtastsysteme eine niedrige Grenzfrequenz auf, da bei jeder Schwingung die träge Masse des Spiegels von neuem zu beschleunigen ist. Ferner ist die Strahlablenkung nicht gleichförmig.Other known beam deflection systems work with swivel mirrors, some of which can be swiveled in two axes are. In the case of oscillating mirror systems, complex mechanisms are required that generate the oscillating movement. Furthermore, these scanning systems have a low cut-off frequency, since every oscillation the inertial mass of the mirror has to be accelerated again. Furthermore, the beam deflection is not uniform.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das erfindungsgemäße Strahlablenksystem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine einfache Fertigung und eine sichere Lagerung der Spiegel möglich ist. Weiterhin ist vorteilhaft, daß Drehbewegungen einfach zu erzeugen .' sind und der Aufbau auf wenige mechanische Teile beschränkt.ist. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß die Auswertung der Signale des Strahlablenksystems unabhängig von mechanischen Größen rein elektronisch erfolgt. Als weiterer Vorteil ist· . anzusehen, daß durch geeignete Wahl des Drehzahlverhältnisses und der Drehrichtung der beiden Motoren unterschiedliche Abtastmuster erzeugt werden. Hierdurch ist die Abtastdichte in den verschiedenen Bereichen unterschiedlich wählbar.The beam deflection system according to the invention with the characteristic Features of the main claim has the advantage that a simple manufacture and a safe storage of the mirror is possible. It is also advantageous that rotary movements can be generated easily . ' and the structure is limited to a few mechanical parts. Another advantage is that that the evaluation of the signals of the beam deflection system is done purely electronically, regardless of mechanical parameters. Another advantage is . to see that through a suitable choice of the speed ratio and the direction of rotation of the two motors different scanning patterns are generated. Thereby the scanning density is in the different areas different selectable.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Ver-• besserungen des im Hauptanspruch angegebenen Strahlablenksystems möglich. Durch die Ausbildung der Spiegel als Zylinder ist einerseits eine leichte, _^ definierte Befestigung der Spiegel auf der Welle der Motoren möglich und andererseits die Motor-Spiegel-Anordnung leicht auswuchtbar. Zum Erzielen guter . optischer Eigenschaften ist es zweckmäßig, wenn die zu empfangenden oder zu sendenden Strahlen im spitzen Winkel, möglichst jedoch senkrecht auf die Spiegel auftreffen. Durch die dynamische Auswuchtung der Motoren mit den aufgesetzten Spiegeln wird einmal ein ruhiger Lauf des Strahlablenksystems erreicht und man erhält einen gleichmäßig bewegten Taststrahl.Due to the measures listed in the subclaims, advantageous developments and • improvements to the beam deflection system specified in the main claim are possible. By training the A mirror as a cylinder is, on the one hand, a light, defined attachment of the mirror on the shaft of the motors and, on the other hand, the motor-mirror arrangement can be easily balanced. To achieve good. optical properties, it is useful if the rays to be received or transmitted in the hit the mirror at an acute angle, but if possible perpendicular. Thanks to dynamic balancing of the motors with the mirrors attached, a smooth run of the beam deflection system is achieved and a uniformly moving probe beam is obtained.
Wird für das Strahlablenksystem ein Sender benötigt, so eignet sich hierfür insbesondere ein Laser, da dessen Licht besonders einfach zu bündeln ist. Soll das Strahlablenksystem mit Sender und Empfänger betrieben werden, ist es vorteilhaft, zwischen Sender und Strahlablenksystem einen halbdurchlässigen Spiegel anzubringen und im weiteren Strahlenweg den Empfänger anzuordnen. Dadurch ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau des gesamten Strahlablenksystems. Zur Auswertung der gewonnenen Ergebnisse ist es günstig, wenn durch den Empfänger gesteuerte Zählvorrichtungen abfragbar sind, die Informationen über die Drehwinkel-Stellung der Spiegel auf den Motorachsen enthalten. Mittels einfacher Rechenschritte ist es dann möglich, Informationen über den Ort des zu messenden Objekts zu erhalten. Zur Erzielung eines synchronisierten Laufes der beiden Motoren ist es günstig, die Motoren durch einen gemeinsamen Taktgenerator zu betreiben, dessen Frequenz jeweils einem Teiler zugeführt ist, dessen Ausgangssignale die Motorregelungen steuern. Dadurch ist eine besonders einfache Steuerung des Strahlenablenksystems gegeben. Zur Beseitigung eines eventuell störenden Ablenk-Offsets ist es günstig, zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel im Strahlengang Sammellinsen anzuordnen. Dadurch wird der Offset unterdrückt. Insbesondere zur Verfolgung strahlender Objekte ist es günstig, das Strahlablenksystem mittels Verstellmotoren in zwei Achsen verschwenkbar auszugestalten. Die Verstellung erfolgt dabei in Abhängigkeit von der Lage des strahlenden Objekts. Dadurch ist es möglich, in einem weiten Winkelbereich strahlende Objekte zu erfassen und die Lage ihres Ortes in Bezug zum Strahlablenksystem festzustellen. Werden hierzu drei Empfänger- vorgesehen, deren Lage zueinander bekannt ist, so sind nicht nurIf a transmitter is required for the beam deflection system, a laser is particularly suitable for this because whose light is particularly easy to bundle. Should the beam deflection system be operated with transmitter and receiver it is advantageous to have a semitransparent mirror between the transmitter and the beam deflection system to be attached and to arrange the receiver in the further beam path. This results in a particularly compact one Structure of the entire beam deflection system. To evaluate the results obtained, it is beneficial if Counting devices controlled by the receiver can be queried, the information about the angle of rotation position the mirror included on the motor axles. By means of simple calculation steps it is then possible to obtain information about the location of the object to be measured. To achieve a synchronized run of the two motors it is advantageous to operate the motors by a common clock generator, the frequency of which is one Divider is supplied, the output signals of which control the motor controls. This makes one special given simple control of the beam deflection system. To eliminate a possibly annoying deflection offset it is advantageous to have convergent lenses in the beam path between the first mirror and the second mirror to arrange. This suppresses the offset. In particular, to pursue radiant Objects, it is favorable to pivot the beam deflection system in two axes by means of adjusting motors to design. The adjustment takes place depending on the position of the radiating object. This makes it possible to detect radiating objects and the position in a wide angular range their location in relation to the beam deflection system. If three recipients are provided for this, whose position to one another is known, so are not only
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die räumlichen Winkel sondern auch der Abstand dieses Objektes erfaßbar. Die Strahlablenksysteme sind besonders vorteilhaft zur Vermessung von Spur und Sturz eines Fahrzeuges und zur Bestimmung von Abstand und Richtung eines strahlenden Objektes geeignet.the spatial angle but also the distance of this object can be detected. The beam deflection systems are special advantageous for measuring toe and camber of a vehicle and for determining distance and Direction of a radiating object.
Zeichnungdrawing
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 den prinzipiellen Aufbau /r\ eines Abtastsystems, Figur 2 den Aufbau des Strahlablenksystems, Figur 3 die Steuerungselektronik für die Motoren des Strahlablenksystems, Figur k ein Blockschaltbild des Aufbaus eines Empfängers, Figur 5 als Blockschaltbild eine einfache Auswerteschaltung, Figur 6 das Verhalten des Strahls am zweiten Spiegel,. Figur T eine Abtastrosette, Figur 8 ein Strahlablenksystem mit eingeschobenen Linsen, Figur 9 ein Anwendungsbeispiel des Abtastsystems nach Figur 1 für die Ermittlung von Spur und Sturz eines Kraftfahrzeuges, Figur 10 ein Ausführungsbeispiel zur Verwendung des Strahlablenksystems zur Objektverfolgung, Figur 11 ein Ausführungsbeispiel zur Ortung eines Objektes im Raum und Figur 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Ortung eines Objektes im Raum.Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the description below. 1 shows the basic structure of a scanning system, FIG. 2 shows the structure of the beam deflection system, FIG. 3 shows the control electronics for the motors of the beam deflection system, FIG. K shows a block diagram of the structure of a receiver, FIG. 5 shows a simple evaluation circuit as a block diagram, FIG Behavior of the beam at the second mirror. Figure T a scanning rosette, Figure 8 a beam deflection system with inserted lenses, Figure 9 an application example of the scanning system according to Figure 1 for the determination of the track and fall of a motor vehicle, Figure 10 an embodiment for using the beam deflection system for object tracking, Object in space and FIG. 12 shows a further exemplary embodiment for locating an object in space.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments
Die Figur 1 zeigt ein Abtastsystem, das zur Winkel-· bestimmung von reflektierenden Flächen geeignet ist. Ein Laserstrahlgenerator 1 sendet seinen Strahl durch einen halbdurchlässigen Spiegel 2 auf das Strahlablenksystem (SAS) 3, von dessen Ausgang der abgelenkteFIG. 1 shows a scanning system which is used for angular · determination of reflective surfaces is suitable. A laser beam generator 1 sends its beam through a semitransparent mirror 2 onto the beam deflection system (SAS) 3, from whose exit the distracted
Strahl auf eine reflektierende Fläche 7 geworfen wird. Die reflektierende Fläche 7 ist zur Senkrechten des Strahlablenksystems 3 um den Winkel^ geneigt. Aufgrund der Eigenart des Strahlablenksystems 3 bestreicht der austretende Strahl jeden Punkt der reflektierenden Fläche nach.einem bestimmten System.'Beam is thrown onto a reflecting surface 7. The reflective surface 7 is inclined to the perpendicular of the beam deflection system 3 by the angle ^. Because of Due to the nature of the beam deflection system 3, the exiting beam sweeps every point of the reflective Area according to a certain system.
Erreicht der Strahl die Stellung, in der er senkrecht auf die reflektierende Fläche 7 trifft, durchleuchtet der reflektierende Strahl das Strahlablenksystem 3 in umgekehrter Richtung. Er wird am halbdurchlässigen Spiegel 2 abgelenkt und trifft nach einer Blende h auf einen Empfänger 5. Der Empfänger 5 gibt ein Signal an die Auswerteelektronik 6. Dort wird in einem Rechner die Information über die Winkelstellung der Motoren des Strahlablenksystems 3 ausgewertet und der Raumwinkel berechnet und zur Anzeige gebracht.When the beam reaches the position in which it strikes the reflective surface 7 perpendicularly, the reflective beam shines through the beam deflection system 3 in the opposite direction. It is deflected at the semitransparent mirror 2 and hits a receiver 5 after an aperture h . The receiver 5 sends a signal to the evaluation electronics 6. There, the information about the angular position of the motors of the beam deflection system 3 is evaluated in a computer and the solid angle is calculated and brought to the display.
Einzelheiten des Strahlablenksystems 3 sind in Figur 2 dargestellt. Das Strahlablenksystem umfaßt im wesentlichen zwei Motoren 10 und 12, auf deren Wellen 23, 2\ zylindrische -.Spiegel 11 und 13 fest aufgebracht sind. Die Spiegeloberflächen 21 und 22 der zylindrischen Spiegel 11 und 13 sind angeschrägt, so daß die Spiegel normal um einen Winkel·^ zur Drehachse der Wellen 23 und 2k geneigt sind. Der Winkel et wird als Taumelwinkel bezeichnet und ist bei beiden Spiegeln gleich. Die Motoren 10 und 12 sind beispielsweise als Gleichstrommotoren ausgebildet. Zur Drehzahlregulierung und als Information für die Auswerteelektronik wird an jedem Motor die Drehzahl und die Phasenlage gemessen. Beim Motor 12 erfolgt die Messung der Drehzahl und der Phasenlage mittels einer' Gabellichtschranke 20, in die eine Blende 18 hineinragt, die mit der Welle 2k fest verbunden ist. Die Blende 18 weist eine Bohrung 19 auf» so daß durch die Gabellichtschranke 20 ein Impuls -abgegeben wird, wenn die Bohrung 19 die Gabellichtschranke passiert.Details of the beam deflection system 3 are shown in FIG. The beam deflection system essentially comprises two motors 10 and 12, on whose shafts 23, 2 \ cylindrical mirrors 11 and 13 are firmly attached. The mirror surfaces 21 and 22 of the cylindrical mirrors 11 and 13 are beveled so that the mirrors are inclined normally at an angle to the axis of rotation of the shafts 23 and 2k . The angle et is called the wobble angle and is the same for both mirrors. The motors 10 and 12 are designed, for example, as direct current motors. For speed regulation and as information for the evaluation electronics, the speed and the phase position are measured on each motor. In the case of the motor 12, the rotational speed and the phase position are measured by means of a fork light barrier 20 into which a diaphragm 18 protrudes and is firmly connected to the shaft 2k. The diaphragm 18 has a bore 19 so that a pulse is emitted through the forked light barrier 20 when the bore 19 passes the forked light barrier.
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Beim Motor 10 erfolgt die Drehwinkelerfassung mittels einer Reflexlichtschranke 17» die auf eine Markierung 25 anspricht, die auf einer Scheibe 16 angebracht ist, die mit der Welle 23 des Motors ortsfest verbunden ist.In the case of the motor 10, the angle of rotation is detected by means of a reflex light barrier 17 »which is on a marking 25 responds, which is mounted on a disc 16, which is fixedly connected to the shaft 23 of the motor.
Die Anordnung der Motoren ist fast beliebig. Für beste optische Eigenschaften ist es vorteilhaft, wenn die Strahlen, z.B. der einfallende Strahl 1 U-, möglichst senkrecht auf die reflektierenden Spiegelflächen 21 und 22 der beiden Spiegel 1 1 und 13 auftref.fen. Der ausfallende Strahl ist in diesem Fall mit 15 bezeichnet. Um einen ruhigen Lauf des Strahlablenksystems und damit einen gleichmäßig bewegten Tastst.rahl zu erreichen, ist es notwendig, daß jeder Motor mit seinem festaufgesetzten Spiegel und eventuellen weiteren Zusatzmassen dynamisch in zwei Ebenen ausgewuchtet ist. Weiterhin ist es notwendig, daß der Taumelwinkel tC beider Spiegel gleich ist, damit der Abtaststrahl alle Punkte eines Bereiches erfaßt.The arrangement of the motors is almost arbitrary. For the best optical properties, it is advantageous if the rays, for example the incident ray 1 U-, strike the reflecting mirror surfaces 21 and 22 of the two mirrors 11 and 13 as perpendicularly as possible. The emerging beam is designated by 15 in this case. In order to achieve a smooth operation of the beam deflection system and thus a uniformly moving scanning beam, it is necessary that each motor with its fixed mirror and any additional masses is dynamically balanced in two planes. Furthermore, it is necessary that the wobble angle tC of both mirrors is the same so that the scanning beam covers all points of an area.
Ein Ausführungsbeispiel der Motorregelung des Strahlablenksystems nach Figur 2 ist in Figur 3 näher dargestellt. Es ist ein quarzgesteuerter Taktgenerator ^n vorgesehen, dessen Ausgangssignal sowohl einem Teiler 32 als auch einem Teiler 33 zugeführt ist. Die Teilerverhältnisse des Teilers 32 und des Teilers 33 sind unterschiedlich. Das Ausgangssignal des Teilers 32 wird als Sollwert einer an sich bekannten Motorregelung 3β zugeführt. Durch die Motorregelung 36 wird der Motor 10 des Strahlablenksystems gesteuert. Vom Motor 10 wird ein Signal zur Drehzahlerfassung abgegriffen, das der Drehzahlauswertestufe 31 zugeführt ist. Hierzu eignet sich beispielsweise eine Verstärkerschaltung, an deren Eingang die zuvor be-An exemplary embodiment of the motor control of the beam deflection system according to FIG. 2 is shown in more detail in FIG. It is a crystal-controlled clock generator ^ n provided, whose output signal is fed both to a divider 32 and a divider 33rd The division ratios of the divider 32 and the divider 33 are different. The output signal of the divider 32 is fed as a setpoint value to a motor control system 3β known per se. The motor 10 of the beam deflection system is controlled by the motor control 36. A signal for speed detection is picked up by the motor 10 and is fed to the speed evaluation stage 31. An amplifier circuit, for example, is suitable for this, at the input of which the previously
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schriebenen Lichtschranken angeschlossen sind. Die Drehzahlimpulse N1 des Motors 10 sind nach außen geführt. Der Ausgang des Teilers 33 ist als Sollwert einer Drehzahlregelung 35 zugeführt, durch deren Ausgangssignal die Drehzahl des Motors 12 bestimmt ist. Vom Motor 12 wird ebenfalls eine Drehzahlinformation der Drehzahlauswerteschaltung 3^ zugeführt. .Das dort abgegebene Signal N2 steht wie das Signal N1 als Drehzahlinformation und als Istwert für die Regelvorrichtung 35 zur Verfügung. Weiterhin ist das Ausgangssignal des Taktgenerator 30 als Referenzfrequenz F nach außen geführt.written light barriers are connected. The speed pulses N1 of the motor 10 are led to the outside. The output of the divider 33 is used as a setpoint of a speed control 35 supplied, by the output signal of which the speed of the motor 12 is determined. From engine 12 speed information is also fed to the speed evaluation circuit 3 ^. The one handed in there Like the signal N1, signal N2 is used as speed information and available as an actual value for the control device 35. Furthermore, the output signal of the clock generator 30 is led to the outside as reference frequency F.
Die Teiler 32 und 33 teilen das Taktsignal so, daß sich an den Motoren 10 und 12 ein solches Drehzahlverhältnis einstellt, daß dies gleich dem Verhältnis zweier teilerfremder ganzer Zahlen ist. Ist das Drehzahlverhältnis festgelegt, so wird die Referenzfrequenz entsprechend dem gewählten Drehzahlverhältnis geteilt. Beträgt die Referenzfrequenz beispielsweise 125 kHz und ist ein Drehzahlverhältnis von 1 : 1,105 erwünscht, so.ist es beispielsweise günstig, mit dem Teiler 32 durch 1000 und mit 'dem Teiler 33 durch 1105 zu teilen." . ·The dividers 32 and 33 divide the clock signal so that the motors 10 and 12 have such a speed ratio sets that this is equal to the ratio of two relatively prime integers. Once the speed ratio has been determined, so the reference frequency is divided according to the selected speed ratio. Is the Reference frequency, for example 125 kHz, and is a speed ratio of 1: 1.105 is desired, it is, for example, advantageous to use the divisor 32 by 1000 and with 'divide the divider 33 by 1105. ". ·
Die Regelungen 35 und 36 vergleichen laufend die von der Referenzfrequenz gewonnenen, geteilten Frequenzen mit den erfaßten Drehzahlen und regeln so lange nach, bis Phasenstarrheit zur geteilten Referenzfrequenz und somit auch indirekt über die Referenzfrequenz zwischen den beiden Motoren herrscht.Regulations 35 and 36 continuously compare those of the Reference frequency obtained, divided frequencies with the recorded speeds and regulate until phase rigidity to the divided reference frequency and thus also indirectly prevails between the two motors via the reference frequency.
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Figur h zeigt eine einfache Auswerteschaltung, wie sie beim Empfänger 5 Verwendung findet. Zur Aufnahme des Laserstrahls dient eine Fotodiode kO oder e.in anderes für die jeweils verwendete Strahlung empfindliches Bauelement. Das von der Fotodiode kO aufgenommene Signal wird durch ein Verstärker U1 verstärkt. Die anschließende Spitzenwerthalteschaltung k2 speichert die maximal verstärkte Signalamplitude. Weiterhin ist das Ausgangssignal einer Maximumerkennungsschaltung kh zugeführt. Der Ausgang der Spitzenwerthalteschaltung k2 ist zu einem Potentiometer 1+3 geführt, an dessen Abgriff ein weiteres Signal für die Maximumerkennungsschaltung hk abgegriffen wird. Dieses Signal sorgt.dafür, daß nur Signale der Fotodiode oberhalb einer fest einstellbaren Amplitudenhöhe von der Maximumerkennungsschaltung kk ausgewertet werden. Da diese Schwelle immer auf den Spitzenwert bezogen wird, werden, alterungsbedingte Änderungen der Eigenschaften der Fotodiode und Helligkeitsschwankungen der Lichtquelle eliminiert. Die Abklingzeitkonstante des Spitzenwerthalteschaltung k2 wird zweckmäßigerweise daher so gewählt, daß sich der Spitzenwert langsam ändernden Signalamplituden anpassen kann.Figure h shows a simple evaluation circuit as it is used in the receiver 5. A photodiode kO or e.in another component that is sensitive to the radiation used in each case is used to pick up the laser beam. The signal picked up by the photodiode kO is amplified by an amplifier U1. The subsequent peak hold circuit k2 stores the maximum amplified signal amplitude. Furthermore, the output signal is fed to a maximum detection circuit kh. The output of the peak value holding circuit k2 is led to a potentiometer 1 + 3, at the tap of which a further signal for the maximum recognition circuit hk is tapped. This signal ensures that only signals from the photodiode above a fixed, adjustable amplitude level are evaluated by the maximum detection circuit kk. Since this threshold is always related to the peak value, aging-related changes in the properties of the photodiode and fluctuations in brightness of the light source are eliminated. The decay time constant of the peak hold circuit k2 is therefore expediently chosen so that the peak value can adapt to slowly changing signal amplitudes.
Die Maximumerkennungsschaltung hk erfaßt den Zeitpunkt, an dem ein Signal, dessen Amplitude größer als die eingestellte Schwelle ist, sein Maximum erreicht. Dies kann beispielsweise durch einfache Differentiation erkannt werden. Mit diesem Signal wird ein Monoflop 1+5 angesteuert, wobei die positive Flanke des erzeugten Monoflopimpulses dem Zeitpunkt des Maximums entspricht. Dieser Puls P steht am Ausgang der Empfängerschaltung für die Auswerteelektronik zur Verfugung.The maximum detection circuit hk detects the point in time at which a signal whose amplitude is greater than the set threshold reaches its maximum. This can be recognized, for example, by simple differentiation. A monoflop 1 + 5 is triggered with this signal, the positive edge of the monoflop pulse generated corresponding to the point in time of the maximum. This pulse P is available at the output of the receiver circuit for the evaluation electronics.
In Figur 5 ist ein einfaches Ausführungsbeispiel einer Auswerteschaltung gezeigt. Die vom Ausgang des Takt-In Figure 5, a simple embodiment is a Evaluation circuit shown. The output of the clock
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generators abgeleitete Referenzfrequenz F ist dem Takteingang von Zählern 50 und 51 zugeführt. Der Zähler erhält einen Rücksetzimpuls vom Drehzahlsignal N1, das von der Drehzahlauswerteschaltung 31 abgeleitet ist. Der Zähler 51 erhält seinen Rucksetzimpüls vom Drehzahlsignal N2, das von der Drehzahlauswerteschaltung 3h abgeleitet ist. An den Zähler 5o ist ein Pufferspeicher 52 angeschlossen. An den Zähler 51 schließt sich ein Pufferspeicher 53 an. Den Pufferspeichern und 53 ist mittels Leitungen das Pulssignal P zugeführt, das von einem Empfänger nach Figur h abgegeben wird. Die Ausgänge der Pufferspeicher 52 und 53 sind jeweils einem ROM 5^ und 55 zugeführt'. Die ROMs 5^· und 55 werden ebenfalls durch den Puls P aktiviert. Am Ausgang des ROM 5^ ist der Vertikalwinkel V.und am Ausgang des ROM 55 der Horizontalwinkel H abgreifbar. Diese beiden Werte sind beispielsweise durch digitale Anzeigevorrichtungen anzeigbar' oder können zur Weiterverarbeitung dienen.generator-derived reference frequency F is fed to the clock input of counters 50 and 51. The counter receives a reset pulse from the speed signal N1, which is derived from the speed evaluation circuit 31. The counter 51 receives its reset pulse from the speed signal N2, which is derived from the speed evaluation circuit 3h . A buffer memory 52 is connected to the counter 5o. A buffer memory 53 connects to the counter 51. The pulse signal P, which is emitted by a receiver according to FIG. H , is fed to the buffer memories 53 and 53 by means of lines. The outputs of the buffer memories 52 and 53 are each supplied to a ROM 5 ^ and 55 '. The ROMs 5 and 55 are also activated by the P pulse. At the output of the ROM 5 ^ the vertical angle V. and at the output of the ROM 55 the horizontal angle H can be tapped. These two values can be displayed, for example, by digital display devices or can be used for further processing.
Die beiden Zähler 50 und 51, die als Binärzähler ausgebildet sind, werden durch die Referenzfrequenz F getaktet und hochgezählt. Wach jeweils einer Motorumdrehung des entsprechenden Motors des Strahlablenksystems werden sie durch den entsprechenden Drehzahlimpuls zurückgesetzt. Tritt nun ein Puls P auf, der vom Smpfänger des Abtastsystems abgegeben wird, werden die augenblicklich vorhandenen Zählerstände in den Speichern 52 und 53 zwischengespeichert. Die zwischengespeicherten Zählerstände geben die Lage der Drehspiegel bezüglich einer Umdrehung an. .The two counters 50 and 51, which are designed as binary counters, are clocked by the reference frequency F and counted up. They are awake each time the corresponding motor of the beam deflection system is rotated reset by the corresponding speed pulse. If a pulse P now occurs, from the receiver of the scanning system is issued, the currently available counter readings are temporarily stored in the memories 52 and 53. The cached counter readings give the position of the rotating mirror with respect to one revolution at. .
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Die in den Speichern 52 und 53 gespeicherten digitalen Zählerstände werden zu zwei entsprechend breiten'Adressbussen zusammengeführt. Ein Adressbus adressiert entweder ROM 5^ oder ROM 55, die auf ihrem Datenbus den Vertikalwinkel V und den Horizontalwinkel H ausgeben. Der Raumwinkel der in Figur 1 dargestellten Fläche ist daher eindeutig bestimmt.The digital counter readings stored in the memories 52 and 53 are combined to form two correspondingly wide address buses. An address bus addresses either ROM 5 ^ or ROM 55, which output the vertical angle V and the horizontal angle H on their data bus. The solid angle of the surface shown in Figure 1 is therefore clearly determined.
In den ROMs $k und 55 ist jeder Adresse' ein Datenwort zugeordnet. Diesem wiederum entspricht einmal der Vertikal- und im anderen Fall der Horizontalwinkel. Diese Zuordnung wird im wesentlichen empirisch bestimmt und ist abhängig 'von der Nullage der Motoren, die wiederum durch die 'Abschrägung der Spiegeldberflache im Verhältnis zur Drehzahlmarke bestimmt ist. Ist diese Nullage ermittelt, so sind die in den ROMS 5^ und 55 abzuspeichernden Werte in Abhängigkeit vom Zählerstand leicht empirisch festzulegen. A data word is assigned to each address in the ROMs $ k and 55. This in turn corresponds to the vertical angle and the horizontal angle in the other case. This assignment is essentially determined empirically and is dependent on the zero position of the motors, which in turn is determined by the bevel of the mirror surface in relation to the speed mark. Once this zero position has been determined, the values to be stored in ROMS 5 ^ and 55 can easily be determined empirically as a function of the counter reading.
Die Figur β zeigt detailliert das Verhalten des Laserstrahls am zweiten Spiegel 22. Der in Figur 2 gezeigte einfallende Strahl 1h trifft zuerst auf den Spiegel 21. Da dieser Spiegel eine gewisse Neigung, den Taumelwinkel, aufweist, dreht sich die Spiegelnormale um die Motorachse. Da der einfallende Lichtstrahl 1 ^ raumfest ist, erscheint es einem Beobachter, als bilde der ausfallende Lichtstrahl V einen Kegel mit der Spitze im Auftreffpunkt der Spiegelfläche 21, wenn der Spiegel 21 schnell genug rotiert. Der Öffnungswinkel des Strahlenkegels ist dabei das Vierfache des Taumelwinkels. Dieser örtlich veränderliche Strahl gelangt nun auf die Spiegelfläche 22. Da auch diese Spiegelfläche einen Taumelwinkel aufweist, dreht sich auch hier die Spiegelnormale um die Motorachse. Der austretende Strahl A ist nunmehr der am zweiten Spiegel reflektierte Strahl V. Da der Taumel-FIG β shows in detail the behavior of the laser beam on the second mirror 22. The incident beam 1 shown in Figure 2 applies h at first on the mirror 21. Since the mirror has a certain inclination, the swash angle, the mirror normal rotates about the motor axis. Since the incident light beam is fixed in space, it appears to an observer as if the emerging light beam V forms a cone with the tip at the point of incidence of the mirror surface 21 if the mirror 21 rotates fast enough. The opening angle of the beam cone is four times the wobble angle. This spatially variable beam now reaches the mirror surface 22. Since this mirror surface also has a wobble angle, the mirror normal here also rotates around the motor axis. The emerging ray A is now the ray V reflected on the second mirror.
' O 4'O 4
winkel konstruktiv bedingt ist und daher konstant ist, ist der austretende Strahl A nur vom jeweiligen Drehwinkel der beiden Motoren 10 und 12 abhängig.angle is due to the design and is therefore constant, the exiting beam A is only at the respective angle of rotation of the two motors 10 and 12 depending.
Der einfallende Strahl V beschreibt auf der Spiegeloberfläche 22 allgemein eine schiefwinklige Projektion eines Kegels, eine Ellipse. Dadurch treffen die einzelnen Strahlen nicht im Mittelpunkt auf.The incident ray V describes on the mirror surface 22 generally an oblique projection of a cone, an ellipse. This is how the individual rays not in focus.
Dies bedeutet, daß der austretende Strahl A nicht aus einem Punkt erzeugt wird, wie dies auch beim Strahl V der Fall war, sondern unendlich viele Ursprungspunkte besitzt, die auf einer Ellipse liegen. Diese Erscheinung wird als Lage-Offset bezeichnet. Soll das Strahlablenksystem nur zur Winkelmessung verwendet werden, ist der Offset unerheblich, da die Winkel der austretenden Strahlen nur von dem Neigungswinkel der Spiegelfläche 22 und dem Drehwinkel des entsprechenden Motors abhängen, jedoch nicht von ihrem Ursprung abhängig sind.This means that the exiting ray A is not generated from a point, as is also the case with ray V was the case, but has an infinite number of points of origin that lie on an ellipse. This appearance is called the position offset. Should the beam deflection system are only used for angle measurement, the offset is irrelevant because the angle of the exiting rays depend only on the angle of inclination of the mirror surface 22 and the angle of rotation of the corresponding motor, however do not depend on their origin.
Wird der so entstehende Ausgangsstrahl A auf eine Ebene projeziert, so entsteht ein Bild, dessen Form vom Verhältnis der Drehzahlen sowie der relativen Drehrichtung der beiden Motoren abhängt. Ein Beispiel hierzu ist in Figur 7 dargestellt. Bei dem gezeigten Beispiel haben die Motoren ein Drehzahlverhältnis von -1:1.7. D.h., daß die Motoren 10 und 12 gegensinnig drehen und der Motor 1.7 mal schneller läuft als der Motor 10. Von dem ■Drehzahlverhältnis hängt die Laufzeit ab, die für die Periodizität der Gesamtfigur maßgebend ist. Grundsätzlich läßt sich sagen, daß die Laufzeit umso langer ist, je geringer der Drehzahlunterschied der beiden Motoren untereinander ist. Um überhaupt Perodizität zu erhalten, muß das Drehzahlverhältnis n1:n2 gleich dem Verhältnis zweier teiler-If the resulting output beam A is projected onto a plane, an image is created, the shape of which depends on the relationship the speeds as well as the relative direction of rotation of the two motors depends. An example of this is in Figure 7 shown. In the example shown, the motors have a speed ratio of -1: 1.7. I.e. that the motors 10 and 12 rotate in opposite directions and the motor runs 1.7 times faster than the motor 10. From the ■ speed ratio depends on the running time, which is decisive for the periodicity of the overall figure. Basically lets say that the running time is longer, the lower the speed difference between the two motors is. In order to obtain periodicity at all, the speed ratio n1: n2 must be equal to the ratio of two divider
fremder ganzer Zahlen sein. Das Drehzahlverhältnis ist auch maßgebend für die Abtastdichte. Je näher das Drehsahl verhältnis an 1 herankommt, desto höher ist die Abtastdich te. Durch die Drehrichtung ist das Auflösungsverhalten zu beeinflussen. Eine größere Auflösung in der Mitte erhält man, wenn die Drehrichtungen der beiden Motoren entgegengesetzt ist, während eine gleiche Drehrichtung der beiden Motoren zu einer größeren Auflösung am Rande des Abtastbereiches führt..be alien integers. The speed ratio is also decisive for the scanning density. The closer the Drehsahl When the ratio approaches 1, the higher the scanning density. Due to the direction of rotation, the resolution behavior is closed influence. A higher resolution in the middle is obtained if the directions of rotation of the two motors are opposite is, while the same direction of rotation of the two motors leads to a greater resolution at the edge of the scanning area leads..
■Während der'zuvor erwähnte Offset bei der reinen Winkel-•/"'v messung unerheblich ist, ist er jedoch störend, wenn das · Strahlablenksystem als Nachführsystem oder zur Entfernungs messung verwendet werden soll. In diesem Fall muß der Offset beseitigt werden. Entsprechend Figur 8 läßt sich dies am einfachsten mit Hilfe eines Linsensystemes bewerkstelligen. Der einfallende Strahl 11* gelangt auf einen Spiegel 21 der auf dem Zylinder 11 aufgesetzt ist. Der Zylinder 11 wird durch den Motor 10 über eine Welle angetrieben. Der ausfallende Strahl V dieses Systems gelangt zu einer Sammellinse βθ und einer Fokussierlinse 61, die so ausgerichtet sind, daß der Strahl V auf den Mittelpunkt der Spiegeloberfläche 22 fällt, die auf den Zylinder 13 aüfgebracht ist. Der Zylinder 13 wird durch den Motor 12 über eine Welle angetrieben. Der ausfallende Strahl A wird nunmehr aus einem Punkt erzeugt und weist daher keinen Offset auf.■ While der'zuvor mentioned offset in net angular • / '' v measurement is irrelevant, however, it is disturbing when the beam deflection · to be used as tracking or distance measurement. In this case, the offset must be eliminated. Accordingly, This can be done most easily with the aid of a lens system in Figure 8. The incident beam 11 * reaches a mirror 21 which is placed on the cylinder 11. The cylinder 11 is driven via a shaft by the motor 10. The emergent beam V of this system passes to a converging lens βθ and a focusing lens 61 which are aligned so that the beam V falls on the center of the mirror surface 22 which is mounted on the cylinder 13. The cylinder 13 is driven by the motor 12 via a shaft Ray A is now generated from a point and therefore has no offset.
Die Figuren 9 bis 12 zeigen Anwendungsbeispiele der Erfindung. In Figur 9 dient das Strahlablenksystem für ein Achsmeßgerät. Bei einem Fahrzeug 62 mit Rädern 63 soll die Spur und der Sturz bestimmt werden. Hierzu werden auf den Rädern einer Achse Spiegel Sk montiert. Weiterhin sind zwei Abtast systeme 65, die entsprechend Figur 1 aufgebaut sind, vorgesehen. Von den Abtastsystemen 65 führen Leitungen zu einer Auswerteschaltung 66. Figures 9 to 12 show application examples of the invention. In FIG. 9, the beam deflection system is used for an axis measuring device. In the case of a vehicle 62 with wheels 63, the toe and the camber are to be determined. For this purpose, mirrors Sk are mounted on the wheels of an axle. Furthermore, two scanning systems 65, which are constructed according to Figure 1, are provided. Lines lead from the scanning systems 65 to an evaluation circuit 66.
331087331087
/84/ 84
Zuerst erfolgt die Ausrichtung der Abtastsysteme 65 ohne dazwischen stehendes Fahrzeug. Abwechselnd wird je ein Abtastsystem nur als Sender und das andere nur als Empfänger betrieben. So läßt sich mit Hilfe der Auswerteelektronik 66 die genaue Position beider Geräte zueinander erkennen. Diese Werte dienen als Bezugsgföße. Zur Messung wird das Fahrzeug zwischen die Abtastsysteme 65 gefahren. Mittels der Auswerteelektronik ist es nunmehr möglich, zu erkennen, mit welchen Abweichungen gegenüber der Drehachse des Rades 63 die Reflektoren 6k montiert sind. Dazu ist es erforderlich, die Spiegelstellung bei mindestens drei Radwinkelstellungen zu vermessen, da dann die Dreh- gleich Radachse eindeutig bestimmt ist. Diese Werte werden gespeichert und bei der anschließenden Achsvermessung berücksichtigt. Dadurch ist ein schnelles Messen ohne zeitraubende Justierarbeit möglich.First, the alignment of the scanning systems 65 takes place without a vehicle standing between them. Alternately, one scanning system is operated only as a transmitter and the other only as a receiver. Thus, with the aid of the evaluation electronics 66, the exact position of the two devices in relation to one another can be recognized. These values serve as a reference. For the measurement, the vehicle is driven between the scanning systems 65. By means of the evaluation electronics it is now possible to recognize the deviations with which the reflectors 6k are mounted in relation to the axis of rotation of the wheel 63. To do this, it is necessary to measure the mirror position with at least three wheel angle positions, since the rotational axis of the wheel is then clearly determined. These values are saved and taken into account in the subsequent wheel alignment. This enables quick measurement without time-consuming adjustment work.
Das Anwendungsbeispiel nach Figur 10 zeigt di.e Verwendung des Strahlablenksystems als Nachführsystem. Das Strahlablenksystem 3 ist hierbei auf einer räumlich verschwenkbaren, durch Motoren antreibbaren Anordnung·68 gelagert. Mit dem Strahlablenksystem ist ein Smpfänger 5 ortsfest verbunden. Zu einer Auswerteschaltung 69 führen die Empfangsimpulse des Smpfängers 5 und die Impulse die die Phasenlage der Motoren signalisieren. Durch die Auswerteschaltung. werden die Motoren des Strahlablenksystems 3 sowie die Motoren der Schwenkvorrichtung 68 in Abhängigkeit von der Lage eines strahlenden Objektes 67 gesteuert.The application example according to FIG. 10 shows the use of the beam deflection system as a tracking system. The beam deflection system 3 is mounted on a spatially pivotable arrangement 68 that can be driven by motors. A receiver 5 is fixedly connected to the beam deflection system. The received pulses from the receiver 5 and the pulses which signal the phase position of the motors lead to an evaluation circuit 69. Through the evaluation circuit. the motors of the beam deflection system 3 and the motors of the pivoting device 68 are controlled as a function of the position of a radiating object 67.
Der Strahl des strahlenden Objektes 67. fällt unter einem meßbaren Winkel in das Strahlablenksystem 3 ein und wird bei einer bestimmten Stellung der Motoren 10 und 12 des Strahlablenksystemes 3 vom Empfänger 5 dedektiert.The beam of the radiating object 67. falls at a measurable angle in the beam deflection system 3 and is detected by the receiver 5 at a certain position of the motors 10 and 12 of the beam deflection system 3.
7 β 4 '7 β 4 '
Aufgrund der Winkelstellung der Motoren des Strahlablenksystems zum Detektionszeitpunkt sind die Raumwinkel des strahlenden Objektes 67 eindeutig bestimmbar. Diese 'Winkelangaben werden der Steuervorrichtung der Schwenkvorrichtung 68 zugeführt, so daß das Strahlablenksystem dem strahlenden Objekt nachführbar ist. Da in diesem Falle üblicherweise das strahlende Objekt im Mittelpunkt ' des Strahlablenksystemes gehalten werden soll, ist es vorteilhaft, wenn die Motoren des Strahlablenksystems gegenläufig drehen. . · ■ .Due to the angular position of the motors of the beam deflection system At the time of detection, the solid angles of the radiating object 67 can be clearly determined. These 'Angle specifications are given to the control device of the swivel device 68 so that the beam deflection system can be tracked to the radiating object. There in this case Usually the radiating object is to be kept in the center of the beam deflection system, it is advantageous when the motors of the beam deflection system rotate in opposite directions. . · ■.
^ In Figur 11 ist eine Anordnung gezeigt, mit der es^ In Figure 11 an arrangement is shown with which it
möglich ist, den Abstand und die Richtung eines punktförmigen strahlenden Objektes 6j zu ermitteln.. Hierzu sind mindestens zwei Strahlablenksysteme 3 vorgesehen, denen jeweils ein Empfänger 5 nachgeschaltet ist. Die. Signale der Empfänger 5 werden einer Auswerteschaltung zugeführt. Von der Auswerteschaltung TO werden in bekannter Weise die Strahlablenksysteme 3 gesteuert. Der Abstand der Strahlablenksysteme 3 untereinander ist bekannt und steht der Auswerteschaltung zur Verfugung. Sowohl vom ersten Strahlablenksystem 3 als auch vom zweiten Strahlablenksystem 3 ist nunmehr eine Richtung bestimmt, unter der das strahlende Objekt 6" jeweils /~- geortet wird. Nach den an sich bekannten Methoden der Trigonpmie sind aus den Winkelwerten der beiden Strahlablenksysteme und der bekannten Entfernung neben den Richtungen des strahlenden Objekts auch dessen Abstände von den Strahlablenksystemen bestimmbar.it is possible to determine the distance and the direction of a point-shaped radiating object 6j . For this purpose, at least two beam deflection systems 3 are provided, each of which is followed by a receiver 5. The. Signals from the receiver 5 are fed to an evaluation circuit. The beam deflection systems 3 are controlled in a known manner by the evaluation circuit TO. The distance between the beam deflection systems 3 is known and is available to the evaluation circuit. Both the first beam deflection system 3 and the second beam deflection system 3 now determine a direction in which the radiating object 6 ″ is located in each case In addition to the directions of the radiating object, its distances from the beam deflection systems can also be determined.
Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung des Abstandes und des Winkels eines strahlenden Objektes ist in Figur 12 aufgezeigt. Mit der Anordnung nach Figur 12 soll der Winkel und der Abstand einer reflektierenden Fläche im 3ezug zum Strahlablenksystem 3 ermittelt werden. Zu diesem-Zweck sind drei Empfänger 5 vorhanden, derenAnother possibility for determining the distance and the angle of a radiating object is shown in FIG 12 shown. With the arrangement according to FIG. 12, the angle and the distance of a reflective surface are intended be determined in relation to the beam deflection system 3. For this purpose there are three receivers 5, their
7 Ä Δ 7 Ä Δ
Abstand untereinander und zum Strahlablenksystem definiert ist. Ein Sender 1 sendet einen Strahl aus, der durch das Strahlablenksystem 3 variiert wird. Aus den drei Impulsen der Empfänger 5 sind drei Winkel bestimmbar. Aufgrund bekannter trigonometrischer Formeln läßt sich nunmehr der Abstand und der Winkel der Fläche durch die Auswerteschaltung β berechnen.Distance from one another and to the beam deflection system is defined. A transmitter 1 emits a beam that passes through the Beam deflection system 3 is varied. From the three pulses of the receiver 5, three angles can be determined. Because of known trigonometric formulas, the distance and the angle of the surface can now be determined by the evaluation circuit calculate β.
Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Laserstrahlen beschränkt. Die Abtastung des bestimmten Bereiches kann ebenso mittels Lichtstrahlen, Wärmestrahlen oder Mikrowellen erfolgen. Die Empfänger und' die Sender sind je nach dem speziellen Anwendungsfall auszuwählen.The invention is not restricted to the use of laser beams. The scanning of the specific area can also be done by means of light rays, heat rays or microwaves. The receivers and 'the senders are to be selected depending on the specific application.
Claims (1)
dynamisch ausgewuchtet ist. k. Beam deflection system according to one of the preceding claims, characterized in that each motor (10 ', 12) with the attached cylinders (11, 13)
is dynamically balanced.
Sender (1) und Strahlenablenksystem (3) ein halb- ■ durchlässiger Spiegel (2) eingebracht ist und daß6. beam deflection system according to any one of the preceding claims, characterized in that between
Transmitter (1) and beam deflection system (3) a semitransparent mirror (2) is introduced and that
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgang des
Ablenksystems (3) ein Empfänger (5) angeordnet ist.T. beam deflection system according to any one of claims 1
to 5, characterized in that the output of the
Deflection system (3) a receiver (5) is arranged.
Sammellinsen (60, 61) angeordnet sind.'10. Beam deflection system according to one of the preceding claims, characterized in that between the first mirror (21) and the second mirror (22)
Converging lenses (60, 61) are arranged. '
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